2017-2018學(xué)年高中物理 第四章 原子核 第四節(jié) 核力與結(jié)合能教學(xué)案 粵教版選修3-5

1、第四節(jié) 核力與結(jié)合能1組成原子核的核子之間有很強(qiáng)的相互作用力，使核子能夠克服庫(kù)侖斥力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱為核力。2核力是一種短程力。在約0.51015 m21015 m的距離內(nèi)主要表現(xiàn)為引力；在小于0.51015 m的距離內(nèi)，核力又轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)大的斥力。3原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)，排在周期表比較靠后的元素對(duì)應(yīng)的原子核叫重核，排在周期表比較靠前的元素對(duì)應(yīng)的原子核叫輕核。4一般排在周期表最前面的輕核的質(zhì)子和中子數(shù)相等，大多數(shù)重核是中子多于質(zhì)子。5要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，需要提供一定的能量。反之，核子結(jié)合成原子核時(shí)會(huì)放出一定的能量，這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。6原子核的結(jié)合

2、能與核子數(shù)之比稱為該原子核的平均結(jié)合能，它反映了原子核結(jié)合的緊密程度，平均結(jié)合能越大，核越穩(wěn)定。核力及其性質(zhì)1.核力的定義組成原子核的核子之間有很強(qiáng)的相互作用力，使核子能夠克服庫(kù)侖斥力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱為核力。2核力的性質(zhì)(1)核力是一種很強(qiáng)的力，是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)，在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫(kù)侖力大得多(2)核力是一種短程力，在距離較大時(shí)核力遠(yuǎn)小于庫(kù)侖力，在距離較小時(shí)核力遠(yuǎn)大于庫(kù)侖力。在距離小于0.51015 m時(shí)，核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會(huì)融合在一起。(3)核力與核子是否帶電無關(guān)，在原子核中，質(zhì)子與質(zhì)子，中子與中子，中子與質(zhì)子間的核力大致相等。(4)核力是一種具有飽和性質(zhì)的交

3、換力，即一個(gè)核子只與鄰近的幾個(gè)核子作用，而不是和原子核內(nèi)所有核子作用。這種性質(zhì)稱為核力的飽和性。(1)自然界中最基本的四種相互作用是：引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。其中，引力相互作用和電磁相互作用是長(zhǎng)程力，強(qiáng)相互作用和弱相互作用是短程力。(2)弱相互作用，作用范圍在1018 m以內(nèi)，作用強(qiáng)度比電磁力小，是引起原子核衰變的原因，即引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。1關(guān)于核力的說法正確的是()A核力同萬有引力沒有區(qū)別，都是物體間的作用B核力就是電磁力C核力是短程力，作用范圍在21015 m之內(nèi)D核力與電荷有關(guān)解析：核力是短程力，超過21015 m，核力急劇下降幾乎消失，故C項(xiàng)對(duì)。核力與

4、萬有引力、電磁力不同，故A、B兩項(xiàng)不對(duì)。核力與電荷無關(guān)，故D項(xiàng)錯(cuò)。答案：C重核與輕核、質(zhì)量虧損1.重核與輕核(1)重核：排在周期表比較靠后的元素對(duì)應(yīng)的原子核叫重核。(2)輕核：排在周期表比較靠前的元素對(duì)應(yīng)的原子核叫輕核。(3)排在83號(hào)元素鉍之后的原子核都不穩(wěn)定，它們自動(dòng)分解或衰變成更輕的原子核，排在第92號(hào)元素鈾之后的原子核十分不穩(wěn)定，無法在自然狀態(tài)下存在。2質(zhì)量虧損(1)定義：原子核的質(zhì)量小于組成原子核的核子質(zhì)量之和的現(xiàn)象稱為質(zhì)量虧損。(2)理解：所謂質(zhì)量虧損并不是部分質(zhì)量消失，或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，而是指靜止質(zhì)量發(fā)生了變化。物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損時(shí)，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和

5、輻射能量相聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。3質(zhì)能方程(1)公式：愛因斯坦的相對(duì)論指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關(guān)系是Emc2(或者Emc2)這就是著名的愛因斯坦質(zhì)能聯(lián)系方程，簡(jiǎn)稱質(zhì)能方程。(2)進(jìn)一步理解：質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量不可分割，一定質(zhì)量的物體所具有的能量是確定的，等于光速的平方與其質(zhì)量的乘積。質(zhì)量和能量是物質(zhì)的屬性之一，質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系絕不等于這兩個(gè)量，可相互轉(zhuǎn)化，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化為能量，能量也不會(huì)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。(1)核反應(yīng)中遵循質(zhì)量守恒和能量守恒，質(zhì)量虧損并不違反質(zhì)量守恒。(2)質(zhì)量虧損也不是核子個(gè)數(shù)的減少，核反應(yīng)中核子個(gè)數(shù)是不變的。2下列說法中，正確的是()A愛因斯坦質(zhì)能方程

6、反映了物體的質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化B由Emc2可知，能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，可以用物體的質(zhì)量作為它所蘊(yùn)藏的能量的量度C核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成為能量D因在核反應(yīng)中能產(chǎn)生能量，有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，所以系統(tǒng)只有質(zhì)量數(shù)守恒，系統(tǒng)的總能量和總質(zhì)量并不守恒解析：Emc2說明能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，并不能說明能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，故A錯(cuò)B對(duì)。質(zhì)量虧損是由靜止的質(zhì)量變成運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量，故C錯(cuò)。核反應(yīng)中質(zhì)量守恒，能量也守恒，故D錯(cuò)。答案：B結(jié)合能1.結(jié)合能(1)概念：由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，也就是說

7、需要提供一定的能量。反之，根據(jù)能量守恒，核子結(jié)合成原子核時(shí)也會(huì)放出一定的能量。我們把這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。(2)理解：一個(gè)氘核被拆成一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子時(shí)，需要能量等于或大于2.2 MeV，可用光子照射獲得。核反應(yīng)方程為HHn。相反的過程，當(dāng)一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)氘核時(shí)會(huì)釋放出2.2 MeV的能量。這個(gè)能量以光子的形式輻射出去。核反應(yīng)方程為HnH。2平均結(jié)合能(1)概念：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱為該原子核的平均結(jié)合能。(2)意義：平均結(jié)合能的大小能夠反映核的緊密程度。平均結(jié)合能越大，原子核就越難拆開，表示該核越穩(wěn)定。(3)規(guī)律：核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能都比較

8、??；中等核子數(shù)的原子核，平均結(jié)合能較大，表示這些原子核較穩(wěn)定。3結(jié)合能的計(jì)算(1)根據(jù)國(guó)際單位制計(jì)算根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損m。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2計(jì)算核能。其中m的單位是千克，E的單位是焦耳。(2)根據(jù)實(shí)用單位計(jì)算明確原子單位u和電子伏特間的關(guān)系1 u1.66061027 kg,1eV1.1019 J由Emc2得E eV931.5 MeV根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5 MeV能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV其中m的單位是u，E的單位是MeV。(3)根據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒來計(jì)算核能參與核

9、反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng)，在核反應(yīng)過程中的動(dòng)量和能量是守恒的，因此，利用動(dòng)量和能量守恒可以計(jì)算出核能的變化。(1)注意區(qū)別結(jié)合能與電離能要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞、施加電場(chǎng)、賦予光子等途徑讓它得到13.6 eV的能量。這個(gè)能量實(shí)際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通常把它叫做氫原子的電離能，而結(jié)合能一詞只用在原子核中。(2)單個(gè)核子無結(jié)合能，如n。3(雙選)對(duì)結(jié)合能、平均結(jié)合能的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()A一切原子核均具有結(jié)合能B自由核子結(jié)合為原子核時(shí)，可能吸收能量C結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定D平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定解析：由自由核子結(jié)合成原子核的過程中，核

10、力做正功，釋放出能量，反之，將原子核分開變?yōu)樽杂珊俗有枰x予它相應(yīng)的能量，該能量即為結(jié)合能，但它的平均結(jié)合能不一定大，平均結(jié)合能的大小反映了原子的穩(wěn)定性。故B、C錯(cuò)，A、D正確。答案：AD對(duì)原子核結(jié)合能和平均結(jié)合能的理解例1下列關(guān)于結(jié)合能和平均結(jié)合能的說法中正確的是()A核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結(jié)合能B平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結(jié)合能也一定越大C重核與中等質(zhì)量原子核相比較，重核的結(jié)合能和平均結(jié)合能都大D中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能均比輕核的要大解析核子結(jié)合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A錯(cuò)；平均結(jié)合能越大的原子核是越穩(wěn)定，但

11、平均結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結(jié)合能比重核小，B，C錯(cuò)；中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比輕核的大，它的原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核多，因此它的結(jié)合能也比輕核大，D正確。答案 D(1)核子結(jié)合成原子核時(shí)，核力做正功，放出能量；原子核拆解成核子時(shí)，克服核力做功，吸收能量。(2)平均結(jié)合能大的原子核穩(wěn)定，但平均結(jié)合能大的原子核，其結(jié)合能不一定大，因?yàn)槠浜俗訑?shù)不一定多。圖4411(雙選)如圖441所示是原子核的核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)Z的關(guān)系圖像。下列說法中正確的是()A若D、E能結(jié)合成F，結(jié)合過程一定要釋放能量B若D、E能結(jié)合成F，結(jié)合

12、過程一定要吸收能量C若A能分裂成B、C，分裂過程一定要釋放能量D若A能分裂成B、C，分裂過程一定要吸收能量解析：由圖可知Fe原子核的核子的平均質(zhì)量最小，則原子序數(shù)較小的核D、E結(jié)合成原子序數(shù)較大的核F時(shí)，因F的核子的平均質(zhì)量小于D、E核子的平均質(zhì)量，故出現(xiàn)質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程知，該過程一定放出核能，所以選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤。因?yàn)镃、B的核子的平均質(zhì)量小于A核子的平均質(zhì)量，故A分裂成B、C，分裂過程一定要釋放能量，所以選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。答案：AC核能的計(jì)算例2H的質(zhì)量是3.016 050 u，質(zhì)子的質(zhì)量是1. u，中子的質(zhì)量是1.008 665 u。求：(1)一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合為氚核時(shí)，是吸

13、收還是放出能量？該能量為多少？(2)氚核的結(jié)合能和平均結(jié)合能各是多少？(3)如果這些能量是以光子形式放出，則光子的頻率是多少？解析(1)一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成氚核的反應(yīng)方程式是H2nH，反應(yīng)前各核子總質(zhì)量為mp2mn1.007 277 u21.00 8665 u3.024 607 u反應(yīng)后新核的質(zhì)量為mH3.016 050 u，質(zhì)量虧損為m3.024 607 u3.016 050 u0.008 557 u由于反應(yīng)前的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量，故此核反應(yīng)為放能反應(yīng)釋放的核能為E0.008 557 931.5 MeV7.97 MeV。(2)氚核的結(jié)合能即為E7.97 MeV，它的平均結(jié)合能為2.

14、66 MeV。(3)放出光子的頻率為 Hz1.921021 Hz。答案(1)放出能量7.97 MeV(2)7.97 MeV2.66 MeV(3)1.921021 Hz根據(jù)Emc2進(jìn)行的計(jì)算一般有以下兩種方法：(1)m的單位用千克，c3.0108 m/s，此時(shí)能量E的單位為焦耳。(2)m的單位為1原子質(zhì)量單位(u)，此時(shí)Em931.5 MeV。2一個(gè)鋰核(Li)受到一個(gè)質(zhì)子的轟擊，變成兩個(gè)粒子。已知一個(gè)氫原子核的質(zhì)量是1.672 61027 kg，一個(gè)鋰核的質(zhì)量是11.650 51027 kg，一個(gè)氦核的質(zhì)量是6.646 61027 kg。(1)試寫出這一過程的核反應(yīng)方程；(2)計(jì)算這一過程中的

15、質(zhì)量虧損；(3)計(jì)算這一過程中所釋放的核能。解析：(1)這一過程的核反應(yīng)方程為：LiH2He(2)質(zhì)量虧損mmLimH2m11.650 51027 kg1.672 61027 kg26.646 61027 kg2.991029 kg(3)釋放核能Emc22.991029(3.0108)2 J2.6911012 J。答案：(1)LiH2He(2)2.991029 kg(3)2.6911012 J1太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個(gè)質(zhì)子(H)聚變?yōu)?個(gè)氦核(He)的熱核反應(yīng)，核反應(yīng)方程是4HHe2X，這個(gè)核反應(yīng)釋放出大量核能。已知質(zhì)子、氦核、X的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，真空中的光速為c。下列說法中正

16、確的是()A方程中的X表示中子(n)B方程中的X表示電子(01e)C這個(gè)核反應(yīng)中質(zhì)量虧損m4m1m2D這個(gè)核反應(yīng)中釋放的核能E(4m1m22m3)c2解析：根據(jù)核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒可得方程中的X表示正電子(e)，故A、B錯(cuò)；此核反應(yīng)中質(zhì)量虧損m4m1m22m3，故C錯(cuò)；核反應(yīng)中釋放的核能Emc2(4m1m22m3)c2，故D對(duì)。答案：D2關(guān)于核力下列說法正確的是()A核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核B因?yàn)橘|(zhì)子帶正電，所以質(zhì)子之間存在相互排斥的核力C核力是一種弱相互作用D任何核子之間都有核力解析：核力是一種強(qiáng)相互作用，故C錯(cuò)，核力是一種具有飽和性質(zhì)的變換力，即一個(gè)核子只

17、與鄰近的幾個(gè)核子作用，故D錯(cuò)，核力與核子是否帶電無關(guān)，有時(shí)表現(xiàn)為引力，有時(shí)表現(xiàn)為斥力。B錯(cuò)。答案：A3(雙選)跟核反應(yīng)有關(guān)的下列認(rèn)識(shí)中，正確的是()A在核反應(yīng)方程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒B所有的核反應(yīng)發(fā)生過程中質(zhì)量都會(huì)減少C所有的核反應(yīng)都一定是放能反應(yīng)D有質(zhì)量虧損的核反應(yīng)一定是放能反應(yīng)解析：所有核反應(yīng)方程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒，則A正確；核反應(yīng)中有的質(zhì)量虧損，放出能量，有的質(zhì)量增加，吸收能量，則B、C錯(cuò)，D對(duì)。答案：AD4為紀(jì)念愛因斯坦對(duì)物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，聯(lián)合國(guó)將2005年定為“國(guó)際物理年”。對(duì)于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程，下列說法中不正確的是()AEmc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比B根據(jù)Em

18、c2可以計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能C一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)，釋放出核能，表明此過程中出現(xiàn)了質(zhì)量虧損DEmc2中的E是發(fā)生核反應(yīng)中釋放的核能解析：Emc2中的E表示物體具有的總能量，m表示物體的質(zhì)量，故A正確D錯(cuò)；對(duì)于Emc2表示的意義是當(dāng)物體的能量增加或減小E時(shí)，它的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)地增加或減少m，故B正確，只有當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量虧損時(shí)，才能釋放核能，故C正確，所以選D。答案：D5氦原子核由兩個(gè)質(zhì)子與兩個(gè)中子組成，這兩個(gè)質(zhì)子之間存在著萬有引力、庫(kù)侖力和核力，則3種力從大到小的排列順序是()A核力、萬有引力、庫(kù)侖力B萬有引力、庫(kù)侖力、核力C庫(kù)侖力、核力、萬有引力D核力、庫(kù)侖力、萬有引力解析：在四種相互作

19、用中，核力的作用力最強(qiáng)，其次是庫(kù)侖力，再次是萬有引力，故選D。答案：D6一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核，同時(shí)輻射一個(gè)光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，普朗克常量為h，真空中的光速為c。下列說法正確的是()A核反應(yīng)方程是HnHB聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損mm1m2m3C輻射出的光子的能量E(m3m1m2)cD光子的波長(zhǎng)解析：由HnH知A錯(cuò)；質(zhì)量虧損mm1m2m3；B正確；由Emc2結(jié)合質(zhì)量虧損知C錯(cuò)誤；mc2hh，所以光子的波長(zhǎng)，D錯(cuò)答案：B7中子n、質(zhì)子p、氘核D的質(zhì)量分別為mn、mp、mD?，F(xiàn)用光子能量為E的射線照射靜止氘核使之分解，反應(yīng)方程為Dpn。若分解后的中子、質(zhì)

20、子的動(dòng)能可視為相等，則中子的動(dòng)能是()A.(mDmpmn)c2EB.(mpmnmD)c2EC.(mDmpmn)c2ED.(mpmnmD)c2E解析：核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損mmDmpmn則核反應(yīng)中釋放的能量Emc2(mDmpmn)c2設(shè)中子的動(dòng)能為Ek，據(jù)能量守恒定律可得：EE2EkEk(EE)(mDmpmn)c2E。答案：C8(雙選)中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)，質(zhì)量虧損為m，Emc22.2 MeV是氘核的結(jié)合能。下列說法正確的是()A用能量小于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核不能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子B用能量等于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零C用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零D用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和不為零解析：中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核所釋放的能量或氘核分解成中子和質(zhì)子所吸收的能量都相等，即為此反應(yīng)的結(jié)合核，但氘核分解為中子和質(zhì)子時(shí)，中子和質(zhì)子不可能沒有速度，則用光照射的能量一定要大于2.2 MeV，故A、D正確，B、C錯(cuò)。答案：AD9一靜止的氡核(Rn)發(fā)生衰變，放出一個(gè)速度為v0，質(zhì)量為m的粒子和一個(gè)質(zhì)量為M的反